一种适用于微小型UUV的组合测速系统技术方案

一种适用于微小型UUV的组合测速系统，涉及微小型水下无人航行器的组合测速技术。为了解决微小型航行器进行大深度水下航行时现有的多普勒测速仪不适合测速的问题。两组水轮测速装置的结构相同，分别测量UUV长度方向和宽度方向的海流速度，两组水轮测速装置的输出端均连接相对速度计算器的输入端，相对速度计算器的输出端连接数据融合模块的相对速度输入端，高频声学多普勒测速仪的输出端连接数据融合模块的对地速度输入端，数据融合模块的输出端连接海流信息卡尔曼滤波器的输入端，海流信息卡尔曼滤波器输出海流信息。本发明专利技术的结构简单、造价低、体积小、重量轻、可靠性高，可实时推算时变的海流信息。本发明专利技术适用于测量海流信息。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种适用于微小型UUV的组合测速系统，涉及微小型水下无人航行器的组合测速技术。为了解决微小型航行器进行大深度水下航行时现有的多普勒测速仪不适合测速的问题。两组水轮测速装置的结构相同，分别测量UUV长度方向和宽度方向的海流速度，两组水轮测速装置的输出端均连接相对速度计算器的输入端，相对速度计算器的输出端连接数据融合模块的相对速度输入端，高频声学多普勒测速仪的输出端连接数据融合模块的对地速度输入端，数据融合模块的输出端连接海流信息卡尔曼滤波器的输入端，海流信息卡尔曼滤波器输出海流信息。本专利技术的结构简单、造价低、体积小、重量轻、可靠性高，可实时推算时变的海流信息。本专利技术适用于测量海流信息。【专利说明】一种适用于微小型UUV的组合测速系统
本专利技术涉及微小型水下无人航行器(UUV)的组合测速技术。
技术介绍
微小型无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)具有体积小、造价 低、噪声小、机动性强等特点，对预警跟踪等特殊任务拥有独特的优势。然而非线性、强时变 以及难预测的海流干扰一直对微小型UUV快速发展和提高控制精度带来巨大阻碍。目前大 部分UUV采用单一的多普勒测速仪(DVL)作为测速、测流装置，低频DVL对底作用距离较大， 但其体积、重量较大，不适合微小型航行器，高频DVL对底作用距离较小，但可通过声学散射 原理测得UUV相对水流的速度，且体积小、重量轻，但当航行器进行大深度水下航行时，由于 水质较清澈且没有浮游生物，无法通过DVL获得UUV相对水流速度。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决微小型航行器进行大深度水下航行时现有的多普勒测 速仪不适合测速的问题，从而提供一种适用于微小型UUV的组合测速系统。 本专利技术所述的一种适用于微小型UUV的组合测速系统，包括高频声学多普勒测速 仪、两组水轮测速装置、两个相对速度计算器、数据融合模块和海流信息卡尔曼滤波器； 两组水轮测速装置的结构相同，每组水轮测速装置与一个相对速度计算器相对 应;水轮测速装置的感应电动势输出端连接相对应的相对速度计算器的感应电动势输入 端，一个相对速度计算器的UUV与海洋的相对速度输出端连接数据融合模块的相对速度输 入端一，另一个相对速度计算器的UUV与海洋的相对速度输出端连接数据融合模块的相对 速度输入端二，高频声学多普勒测速仪的对地速度输出端连接数据融合模块的对地速度输 入端，数据融合模块的输出端连接海流信息卡尔曼滤波器的输入端，海流信息卡尔曼滤波 器输出海流信息，一组水轮测速装置测量UUV长度方向的海流相对速度，另一组水轮测速装 置测量UUV宽度方向的海流相对速度。 当UUV在水下航行时，水轮测速装置由于海水流动产生感应电动势，相对速度计算 器根据感应电动势计算出UUV的航速与海流速度的相对速度，两组水轮测速装置放置的位 置相垂直，分别测量沿UUV的长度方向（纵向）和宽度方向（横向）的UUV的航速与海流速度的 相对速度VddPVd 2，高频声学多普勒测速仪测量UUV的对地速度。 当UUV航行高度在高频声学多普勒测速仪最大探测范围内时，多普勒测速仪可测 出UUV对地速度Vl，按UUV的纵向与横向将V l分解得到UUV纵向对地速度Vli和UUV横向对地速 度Vl2，再分别与VdjPV d2做差，即可得到海流在UUV纵向、横向两个方向上的分速度Vci和Vc2， 再合成后得到海流的速度与方向。在海流信息卡尔曼滤波器输入此时的速度信息，控制滤 波器的过程激励噪声方差Q，实时更新海流滤波数据，利用最小二乘拟合方法整合实时的海 流信息与导航信息，建立海流-导航速度关系数据库。当UUV航行高度大于DVL最大探测范围 时，高频声学多普勒测速仪无法测出UUV的对地速度，海流信息卡尔曼滤波器输入不可信数 据，过程激励噪声方差Q固定，将滤波得到的海流信息与海流-导航速度关系数据库相对应， 反演得到UUV的速度信息，再进行速度分解，按高频声学多普勒测速仪可用时的方法求得海 流ig息。 海流信息经过滤波处理后，反馈给控制器，UUV通过航路自适应调节对航向、航行 位置、航行姿态以及航行速度加以控制。定义最短路径为起始点到目标点的直线连线。将最 短路径划分为几个区段，在整个区段搜索后得到最优航路点，各区段最优航路点的集合即 为UUV的最佳航线。各区段UUV的航速根据海流的变化而变化，采用以时间最优及避免横向 流为原则的航路自适应控制方法对UUV进行调节。首先，将最短路径根据航行距离划分为m 个区域，设定最大搜索循环次数i，并根据测得的海流信息，在各区段搜索最佳航路点，设定 最大区段搜索次数j;然后，根据综合评价函数，计算各区段内有效航行路径的综合评价值， 选择其中使当前阶段综合评价值最小的航路点集，查看最佳航路点是否处在横流区或者有 效航行范围之内；最后，当循环次数达到设定的最大搜索次数时，完成航路自适应调节，使 UUV按照规划的路径选择适合的路径航行，保证航行系统的稳定性与可靠性。 本专利技术所述的适用于微小型UUV的组合测速系统具有以下优点： 1、本专利技术不依赖于UUV模型，方法简单，可靠性高，可实时推算时变的海流信息； 2、本专利技术的装置结构简单、造价低、体积小、重量轻可广泛应用于海洋航行器； 3、本专利技术的装置采用水轮测速装置测量水速，大幅度的降低了海流信息估计过程 中的误差，提高了海流信息的可靠性。本专利技术适用于测量海流信息，根据海流信息对UUV航路规划、轨迹跟踪等进行控 制，为微小型UUV在各种深度海域提供一定精度的导航信息。【附图说明】 图1是【具体实施方式】一所述的一种适用于微小型UUV的组合测速系统的结构示意 图； 图2是【具体实施方式】二中的两组水轮测速装置在UUV顶部的结构示意图； 图3是【具体实施方式】三中的水轮测速装置的主视图；图4是图3的左视图；图5是图3的俯视图； 图6是【具体实施方式】五中的测速电机的结构示意图； 图7是【具体实施方式】五中的采用自适应控制方法对UUV进行调节的原理示意图。【具体实施方式】【具体实施方式】 一:参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种适用于微 小型UUV的组合测速系统，包括高频声学多普勒测速仪1、两组水轮测速装置2、两个相对速 度计算器3、数据融合模块4和海流信息卡尔曼滤波器5; 两组水轮测速装置2的结构相同，每组水轮测速装置2与一个相对速度计算器3相 对应;水轮测速装置2的感应电动势输出端连接相对应的相对速度计算器3的感应电动势输 入端，一个相对速度计算器3的UUV与海洋的相对速度输出端连接数据融合模块4的相对速 度输入端一，另一个相对速度计算器3的UUV与海洋的相对速度输出端连接数据融合模块4 的相对速度输入端二，高频声学多普勒测速仪1的对地速度输出端连接数据融合模块4的对 地速度输入端，数据融合模块4的输出端连接海流信息卡尔曼滤波器5的输入端，海流信息 卡尔曼滤波器5输出海流信息，一组水轮测速装置2测量UUV长度方向的海流相对速度，另一 组水轮测速装置2测量UUV宽度方向的海流相对速度。【具体实施方式】二:参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一 所述的一种适用于微小型UUV的组合测速系统作进一步说明，本实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于微小型UUV的组合测速系统，其特征在于，包括高频声学多普勒测速仪(1)、两组水轮测速装置(2)、两个相对速度计算器(3)、数据融合模块(4)和海流信息卡尔曼滤波器(5)；两组水轮测速装置(2)的结构相同，每组水轮测速装置(2)与一个相对速度计算器(3)相对应；水轮测速装置(2)的感应电动势输出端连接相对应的相对速度计算器(3)的感应电动势输入端，一个相对速度计算器(3)的UUV与海洋的相对速度输出端连接数据融合模块(4)的相对速度输入端一，另一个相对速度计算器(3)的UUV与海洋的相对速度输出端连接数据融合模块(4)的相对速度输入端二，高频声学多普勒测速仪(1)的对地速度输出端连接数据融合模块(4)的对地速度输入端，数据融合模块(4)的输出端连接海流信息卡尔曼滤波器(5)的输入端，海流信息卡尔曼滤波器(5)输出海流信息，一组水轮测速装置(2)测量UUV长度方向的海流相对速度，另一组水轮测速装置(2)测量UUV宽度方向的海流相对速度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：严浙平，姜岸左，张宏瀚，陈涛，张勋，王璐，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23